WO2000055684A1 - Ferroelektrische flüssigkristallanzeige mit aktiven matrix elementen und unsymmetrischen orientierungsschichten - Google Patents

Ferroelektrische flüssigkristallanzeige mit aktiven matrix elementen und unsymmetrischen orientierungsschichten Download PDF

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WO2000055684A1
WO2000055684A1 PCT/EP2000/002350 EP0002350W WO0055684A1 WO 2000055684 A1 WO2000055684 A1 WO 2000055684A1 EP 0002350 W EP0002350 W EP 0002350W WO 0055684 A1 WO0055684 A1 WO 0055684A1
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active matrix
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crystal layer
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Hans-Rolf DÜBAL
Toshiaki Nonaka
Rainer Wingen
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Clariant International Ltd.
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    • G02F2201/14—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 asymmetric

Definitions

  • the replacement of the cathode ray tube (picture tube) by a flat screen requires a display technology that simultaneously has a high resolution, ie more than 1000 lines, a high brightness (> 200 Cd / m 2 ), a high contrast (> 100: 1), a high image frequency (> 60 Hz), sufficient color representation (> 16 million), a large image format (> 40 cm), low power consumption and a wide viewing angle, combined with low manufacturing costs.
  • a display technology that simultaneously has a high resolution, ie more than 1000 lines, a high brightness (> 200 Cd / m 2 ), a high contrast (> 100: 1), a high image frequency (> 60 Hz), sufficient color representation (> 16 million), a large image format (> 40 cm), low power consumption and a wide viewing angle, combined with low manufacturing costs.
  • a display technology that simultaneously has a high resolution, ie more than 1000 lines, a high brightness (> 200 Cd / m 2 ), a high contrast (> 100: 1),
  • chiral smectic liquid crystals in electro-optical or completely optical components, one needs either compounds that form smectic phases and are themselves optically active, or one can by doping compounds that form such smectic phases but are not themselves optically active, induce ferroelectric smectic phases with optically active compounds.
  • the desired phase should be stable over the largest possible temperature range.
  • a smectic liquid crystal display is made of polarizers, with electrodes, e.g. B. from indium tin oxide, coated substrates made of plastic or glass, which are provided with one or more orientation layers and possibly further layers (passivation, diffusion barrier, insulation, antireflection layers, etc.) and color filter layers, a liquid crystal layer and possibly active thin-film elements, (see, e.g., BC Prince, Seminar Lecture Notes. Volume I, pages M-3/3-M-3/22. SID International Symposium 1997. Boston. USA; BBBahadur. Liquid Crystals Application and Uses, Vol 1, page 410 ff. World Scientific Publishing, 1990; E. Lüder. Recent Progress of AMLCD 's . Proceedings of the 15 th international display research Conference, 1995. Pages 9 - 12).
  • the individual picture elements (pixels) of an LC display are usually arranged in an x, y matrix, which is formed by the arrangement of a series of electrodes (conductor tracks) along the rows and the columns on the underside or top side of the display.
  • the crossing points of the horizontal (row) and vertical (column) electrodes form addressable pixels.
  • This arrangement of the pixels is usually referred to as a passive matrix.
  • Various multiplexing schemes have been developed for addressing, as described, for example, in Displays 1993, Vol. 14, No. 2, pp. 86-93 and contacts 1993 (2), pp. 3-14.
  • Passive matrix addressing has the advantage of simpler manufacture of the display and the associated low manufacturing costs, but the disadvantage that passive addressing can only be carried out line by line, which means that the addressing time of the entire screen for N lines is N times the line addressing time is too slow for moving pictures.
  • the display of grayscale is also difficult.
  • Mizutani et.al. Conference FLC in Brest, France presented a passive FLC display with digital gray levels in the (20 to 24 May 1997, see Conference Summaries 6 th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals. Brest / France, page 66).
  • the disadvantage of this method is a large increase in the number of display drivers required and thus in the cost.
  • AMLCD active matrix technology
  • a non-structured substrate is usually combined with an active matrix substrate.
  • the nonlinear element can also be diodes.
  • Metal insulator metal and others Act elements that are advantageously produced using thin-film processes and are described in the relevant literature (see, for example, T. Tsukuda. TFT / LCD: Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors, Gordon and Breach 1996. ISBN 2-919875-01 -9 and literature cited therein).
  • Active matrix LCDs are usually made with nematic liquid crystals in TN (twisted nematics), ECB (electrically controlled birefringence). VA (vertically aligned), IPS (in plane switching) or OCB (optically compensated bend) mode operated.
  • the active matrix generates an electric field of individual strength at each pixel, which produces a change in orientation and thus a change in birefringence, which in turn is optically visible in polarized light.
  • a serious one The disadvantage of this method is the lack of video capability, ie the switching times of nematic liquid crystals that are too long.
  • liquid crystal displays based on the combination of ferroelectric liquid crystal materials and active matrix elements, e.g. in WO 97/12355 or in Ferroelectrics 1996. 179, 141-152 or at W.J.A.M. Hartmann (IEEE Trans. Electron. Devices 1989, 36, (9; Pt. 1), 1895-9, and dissertation Eindhoven, Netherlands 1990).
  • Hartmann used a combination of the so-called 'quasi-bookshelf geometry' (QBG) from FLC and a TFT (thin-film transistor) active matrix and at the same time received high switching speed, grayscale and high transmission.
  • QBG 'quasi-bookshelf geometry'
  • TFT thin-film transistor
  • Nito et. al. have proposed a monostable FLC geometry (Journal of the SID. 1/2, 1993, pages 163-169). in which the FLC material is oriented with the aid of relatively high voltages in such a way that only a stable position is created, from which a series of intermediate states are then generated when an electric field is applied via a thin-film transistor correspond to different degrees of brightness (gray values).
  • the disadvantage of working with Nito et.al. is now the appearance of a stripe texture that limits the contrast and the brightness of this cell (see Fig. 8 of the above quotation).
  • the disadvantageous stripe texture can be corrected by treatment with a high electric field (20-50 V) in the nematic or cholesteric phase (see p. 168 of the above quotation):
  • a high electric field (20-50 V) in the nematic or cholesteric phase
  • this method only results in switching in an angular range of up to a maximum of the simple tilt angle. the one from Nito et. al.
  • the material used is approx. 22 ° (see p. 165 Fig. 6) and thus only results in a transmission of a maximum of 50% of the transmission of two parallel polarizers.
  • the characteristic curve transmission versus voltage
  • the object of the present invention is to provide an active matrix display which advantageously allows the characteristic curve of a given liquid crystal mixture to be influenced.
  • the characteristic curve for a liquid crystal layer in a monostable chiral-smectic active matrix display can be influenced if the layers of the two substrates lying on the liquid crystal layer differ from one another in at least one physical and or chemical iron shaft.
  • the invention thus relates to a monostable chiral-smectic active matrix display which contains a liquid crystal layer, preferably in the form of a monodomain, between two substrates connected to the outside with electrodes, the layers adjacent to the liquid crystal layer or the layer systems of the two located between the liquid crystal layer and electrodes Distinguish substrates from each other in at least one physical or chemical property.
  • the active matrix displays according to the invention are generally made of polarizers, substrates made of plastic or glass coated with electrodes such as indium tin oxide, which are coated with one or more orientation layers and possibly further layers (such as passivation, diffusion barrier, insulation, antireflection layers, etc.) and color filter layers can be provided, and a liquid crystal layer which lies between the substrates.
  • the displays can have active thin-film elements.
  • the layers of the substrates lying on the liquid crystal layer are understood to mean these orientation layers when there are orientation layers. If there are no such layers, it is the uppermost layer of the substrates facing the liquid crystal layer. It is therefore the “inside” It is irrelevant whether further passivation, diffusion barrier, insulation, antireflective layers or similar layers are still present on the surface. Even if such layers are present, the orientation layer becomes or the inner layer of the substrates is regarded as "layer adjacent to the liquid crystal layer".
  • a pixel (pixel picture element) of the monostable chiral-smectic display according to the invention, apart from edge areas, has an asymmetrical cross section in the vertical direction. that is, perpendicular to the liquid crystal layer.
  • the asymmetry can relate to the geometric dimensions or relations of the layers or layer systems adjacent to the liquid crystal layer, as well as to the dielectric properties or, for example, surface properties. such as surface tensions or surface anisotropies.
  • an asymmetry is generated.
  • the layers of the substrates lying against the liquid crystal layer preferably differ in their orientation.
  • only one layer adjacent to the liquid crystal layer has an orientation layer.
  • both layers adjacent to the liquid crystal layer have orientation layers that differ in orientation, or the surface roughness and or the surface tilt angle can be different.
  • the transparent conductor track can be roughened differently by etching processes and thus the orientation effect can be influenced asymmetrically.
  • the orientation layers can differ, for example, in the strength and / or direction of the orientation.
  • the upper and lower orientation layers can have an anti-parallel rubbing direction.
  • the characteristic curve is advantageously influenced by selecting suitable orientation layers.
  • the invention preferably relates to a monostable active matrix display in which an optimal characteristic is obtained by the targeted combination of orientation layers.
  • the active matrix FLC display according to the invention preferably contains, as the optically active layer, a ferroelectric liquid-crystalline medium with a phase sequence of
  • the smectic A phase has a range of existence of at most 2 ° C, preferably at most 1 ° C.
  • An LCD test cell is manufactured on two commercially available glass plates with a transparent, indium tin oxide coating. These are with the Orientation layer LQT-120 (manufacturer: Hitachi Chemicals KK), which is diluted to 8.3% of its original solids content with N-methylpyrrolidone, coated by spin coating (2500 rpm, 10 sec), hardened by heating (230 ° C, 1 Hour) and then subjected to a rubbing process for orientation (rubbing material: rayon type YA-20-R *, clearance 0.2 mm, 1 time, 700 rpm roller speed, 10 cm / s substrate speed, 10 cm roll diameter).
  • the friction pressure can be varied via the 'clearance' (clear distance between the friction material and the substrate) and is referred to as 'strong' or 'weak'.
  • the rubbed glasses are glued with the rubbing direction parallel to the test cells and adjusted to a distance of 1.3 ⁇ m using a spacer.
  • Three types of cells are made:
  • the cells are now each chiral-smectic test mixture of the phase sequence
  • test mixture is filled and oriented by cooling to ⁇ 100 ° C initially in the nematic phase.
  • the test mixture is oriented at a cooling rate of 1 ° C / minute with an applied DC voltage of 3V and then cooled to the test temperature of 25 ° C.
  • a monodomain is obtained which is examined for its electro-optical properties in an electro-optical measuring apparatus.
  • the following transmission values * are obtained as a function of the applied voltage.
  • the example shows the advantageous shift of the threshold voltage to smaller values when using asymmetrical cells.
  • An LCD test cell is produced as described in Example 1, but only one of the two substrates is coated, but the second substrate is rubbed without an orientation layer (cell a). For comparison, there is also one symmetrical cell, ie both sides coated with LQT120, produced (cell b).
  • the rubbed glasses are glued with the rubbing direction parallel to the test cells and adjusted to a distance of 1.3 ⁇ m using a spacer.
  • the cells are now each with a chiral-smectic test mixture of spontaneous polarization 4 nC / cm 2 and the phase sequence
  • test mixture is filled and oriented by cooling to ⁇ 90 ° C initially in the nematic phase.
  • the test mixture is oriented at a cooling rate of 1 ° C / minute with an applied DC voltage of 3V and then cooled to the test temperature of 25 ° C.
  • a monodomain is obtained which is examined for its electro-optical properties in an electro-optical measuring apparatus.
  • the example also demonstrates the advantageous shift of the threshold voltage to smaller values when using asymmetrical cells.
  • An LCD test cell is produced as described in Example 1, but only one of the two substrates is coated, but the second substrate without
  • Orientation layer rubbed (cell a).
  • a symmetrical cell is also used, ie both sides are coated with LQT120. manufactured (cell b).
  • the rubbed glasses are glued with the rubbing direction parallel to the test cells and adjusted to a distance of 1.3 ⁇ m using a spacer.
  • the cells are now each with a chiral-smectic test mixture of spontaneous polarization 4 nC / cm 2 and the phase sequence
  • test mixture is filled and oriented by cooling to ⁇ 90 ° C initially in the nematic phase.
  • the test mixture is oriented at a cooling rate of 1 ° C / minute with an applied DC voltage of 3V and then cooled to the test temperature of 25 ° C.
  • a monodomain is obtained which is examined for its electro-optical properties in an electro-optical measuring apparatus.
  • the example also demonstrates the advantageous shift of the threshold voltage to smaller values when using asymmetrical cells.

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Abstract

Im monostabilen chiral-smektischen Aktivmatrix-Display, das zwischen zwei außen mit Elektroden verbundenen Substraten eine Flüssigkristallschicht enthält, unterscheiden sich die an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten oder die zwischen Flüssigkristallschicht und Elektroden befindlichen Schichtsysteme der beiden Substrate in mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft voneinander.

Description

Ferroelektrische Flüssigkristallanzeige mit aktiven Matrix Elementen und unsymmetrischen Orientierungsschichten
Der Ersatz der Kathodenstrahlröhre (Bildröhre) durch einen flachen Bildschirm erfordert eine Displaytechnologie, die gleichzeitig eine hohe Auflösung, d.h. mehr als 1000 Zeilen, eine hohe Helligkeit (>200 Cd/m2), einen hohen Kontrast (> 100:1), eine hohe Bildfrequenz (>60 Hz), eine ausreichende Farbdarstellung (>16 Mio), ein großes Bildformat (>40 cm), eine geringe Leistungsaufnahme und einen weiten Betrachtungswinkel ermöglicht, verbunden mit niedrigen Herstellkosten. Zur Zeit existiert keine Technologie, die alle diese Merkmale gleichzeitig in vollem Umfang erfüllt.
Viele Hersteller haben auf der Basis nematischer Flüssigkristalle Bildschirme entwickelt, die seit einigen Jahren im Bereich von Notebook PC, Personal Digital Assistants, Desktop Monitoren usw. im Einsatz sind. Es werden dabei die Technologien STN (Supertwisted Nematics). AM-TN (Active Matrix - Twisted Nematics), AM-IPS (Active Matrix - In Plane Switching). AM-MVA (Active Matrix - Multidomain Vertically Aligned) verwendet, die in der einschlägigen Literatur ausführlich beschrieben werden (siehe z.B. T. Tsukuda, TFT/LCD: Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors, Gordon and Breach 1996, ISBN 2-919875-01-9 und darin zitierte Literatur: SID Symposium 1997. ISSN-0097-966X und darin zitierte Literatur). Darüber hinaus wird auf die Technologien PDP (Plasma Display Panel), PALC (Plasma Addressed Liquid Crystal), ELD (Electro Luminescent Display), FED (Field Emission Display) u.s.w. hingewiesen, die ebenfalls im oben zitierten SID Bericht erläutert sind.
Clark und Lagerwall (US 4,367,924) konnten zeigen, daß der Einsatz ferroelektrischer Flüssigkristalle (FLC) in sehr dünnen Zellen zu optoelektrischen Schalt- oder Anzeigeelementen führt, die im Vergleich zu den herkömmlichen TN ("twisted nematic")-Zellen um bis zu einen Faktor 1000 schnellere Schaltzeiten haben (siehe z. B. EP-A 0 032 362). Aufgrund dieser und anderer günstiger Eigenschaften, z. B. der bistabilen Schaltmöglichkeit und des nahezu blickwinkelunabhängigen Kontrasts, sind FLCs grundsätzlich für Anwendungsgebiete wie Computerdisplays und Fernsehgeräte geeignet, wie ein seit Mai 1995 in Japan von der Firma Canon vermarkteter Monitor zeigt.
Für die Verwendung von chiral smektischen Flüssigkristallen in elektrooptischen oder vollständig optischen Bauelementen benötigt man entweder Verbindungen, die smektische Phasen ausbilden und selbst optisch aktiv sind, oder man kann durch Dotierung von Verbindungen, die zwar solche smektischen Phasen ausbilden, selbst aber nicht optisch aktiv sind, mit optisch aktiven Verbindungen ferroelektrische smektische Phasen induzieren. Die gewünschte Phase soll dabei über einen möglichst großen Temperaturbereich stabil sein.
Ein smektisches Flüssigkristalldisplay ist aus Polarisatoren, mit Elektroden, z. B. aus Indium-Zinn-Oxid, beschichteten Substraten aus Kunststoff oder Glas, die mit einer oder mehreren Orientierungsschichten und möglicherweise weiteren Schichten (Passivierungs-, Diffusionssperr-. Isolations-, Antireflex-Schichten usw.) sowie Farbfilterschichten versehen sind, einer Flüssigkristallschicht und möglicherweise aktiven Dünnschichtelementen aufgebaut, (siehe z. B. C. Prince, Seminar Lecture Notes. Volume I, Seiten M-3/3-M-3/22. SID International Symposium 1997. Boston. USA; B. B.Bahadur. Liquid Crystals Application and Uses, Vol. 1, Seite 410 ff. World Scientific Publishing, 1990; E. Lüder. Recent Progress of AMLCD's. Proceedings of the 15th international display research Conference, 1995. Seiten 9 - 12).
Die einzelnen Bildelemente (Pixel) eines LC Displays sind üblicherweise in einer x, y-Matrix angeordnet, die durch die Anordnung je einer Serie von Elektroden (Leiterbahnen) entlang der Reihen und der Spalten an der Unter- bzw. Oberseiteseite des Displays gebildet wird. Die Kreuzungspunkte der horizontalen (Reihen-) und vertikalen (Spalten-) Elektroden bilden adressierbare Pixel. Diese Anordnung der Bildpunkte bezeichnet man üblicherweise als eine passive Matrix. Zur Adressierung wurden verschiedene Multiplex- Schemata entwickelt, wie beispielsweise in Displays 1993, Vol. 14, Nr. 2, S. 86-93 und Kontakte 1993 (2), S. 3-14 beschrieben. Die passive Matrixadressierung hat den Vorteil einer einfacheren Herstellung des Displays und damit verbundenen geringen Herstellkosten, jedoch den Nachteil, daß die passive Adressierung immer nur zeilenweise erfolgen kann, was dazu führt, daß die Adressierungszeit des gesamten Bildschirms bei N Zeilen das N-fache der Zeilenadressierungszeit beträgt und damit zu langsam für bewegte Bilder ist. Zudem ist die Darstellung von Graustufen schwierig. Mizutani et.al. haben auf der FLC-Konferenz in Brest, Frankreich (20.-24 Juli 1997, siehe Conference Summaries 6th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals. Brest / France, Seite 66) ein passives FLC Display mit digitalen Graustufen vorgestellt. Der Nachteil dieser Methode ist eine starke Erhöhung der Anzahl benötigter Bildschirmtreiber und damit der Kosten.
Bei der sogenannten Aktivmatrix-Technologie (AMLCD) wird üblicherweise ein nicht-strukturiertes Substrat mit einem Aktivmatrixsubstrat kombiniert. An jedem Pixel des Aktivmatrixsubstrates ist ein elektrisch nichtlineares Element. beispielsweise ein Dünnschichttransistor, integriert. Bei dem nichtlinearen Element kann es sich auch um Dioden. Metall-Insulator-Metall u.a. Elemente handeln, die vorteilhaft mit Dünnschichtverfahren hergestellt werden und in der einschlägigen Literatur beschrieben sind (s. z.B. T. Tsukuda. TFT/LCD: Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors, Gordon and Breach 1996. ISBN 2-919875-01 -9 und darin zitierte Literatur).
Aktivmatrix-LCD werden üblicherweise mit nematischen Flüssigkristallen im TN-(twisted nematics), ECB- (electrically controlled birefringence). VA- (vertically aligned), IPS- (in plane switching) oder OCB (optically compensated bend) Modus betrieben. In jedem Fall wird durch die aktive Matrix an jedem Bildpunkt ein elektrisches Feld individueller Stärke erzeugt, das eine Orientierungsänderung und damit eine Änderung der Doppelbrechung erzeugt, die wiederum im polarisierten Licht optisch sichtbar ist. Ein schwerwiegender Nachteil dieser Verfahren ist die mangelnde Videofähigkeit, d.h. die zu langen Schaltzeiten nematischer Flüssigkristalle.
Unter anderem aus diesem Grunde wurden Flüssigkristallanzeigen, die auf der Kombination aus ferroelektrischen Flüssigkristallmaterialien und aktiven Matrix Elementen beruhen, z.B. in WO 97/12355 oder in Ferroelectrics 1996. 179, 141- 152 oder bei W.J.A.M. Hartmann (IEEE Trans. Electron. Devices 1989, 36,(9;Pt. 1), 1895-9, sowie Dissertation Eindhoven, Niederlande 1990) vorgeschlagen.
Hartmann nutzte eine Kombination aus der sogenannten 'Quasi-bookshelf Geometrie' (QBG) von FLC und einer TFT (Thin-Film-Transistor) Aktivmatrix und erhielt gleichzeitig eine hohe Schaltgeschwindigkeit, Graustufen und hohe Transmission. Allerdings ist die QBG nicht über einen weiten Temperaturbereich stabil, da durch die Temperaturabhängigkeit der smektischen Schichtdicke die feldinduzierte Lagenstruktur aufbricht oder sich dreht.
Nito et. al. haben eine monostabile FLC-Geometrie vorgeschlagen (Journal of the SID. 1 / 2, 1993, Seiten 163-169). bei der das FLC-Material mit Hilfe verhältnismäßig hoher Spannungen derart orientiert wird, daß nur eine stabile Lage entsteht, aus der dann bei Anlegen eines elektrischen Feldes über einen Dünnschichttransistor eine Reihe von Zwischenzuständen erzeugt werden, die bei angepaßter Zellgeometrie zwischen gekreuzten Polarisatoren einer Reihe von verschiedenen Helligkeitsgraden (Grauwerte) entsprechen.
Der Nachteil bei der Arbeit von Nito et.al. ist nun das Auftreten einer Streifentextur, die den Kontrast und die Helligkeit dieser Zelle begrenzt (siehe Abb. 8 des o.a. Zitates). Die nachteilige Streifentextur läßt sich durch eine Behandlung mit einem hohen elektrischen Feld (20-50 V) in der nematischen bzw. cholesterischen Phase (s. S. 168 des o.a. Zitates) zwar korrigieren: jedoch ist eine solche Feldbehandlung nicht für die Massenfertigung von Bildschirmen geeignet und führt in der Regel auch nicht zu temperaturstabilen Texturen. Darüber hinaus ergibt diese Methode lediglich ein Schalten in einem Winkelbereich von bis zu maximal dem einfachen Tiltwinkel. der bei dem von Nito et. al. verwendeten Material bei ca. 22° liegt (s.S. 165 Abb. 6) und damit nur eine Transmission von maximal 50% der Transmission zweier paralleler Polarisatoren ergibt.
Für die Darstellung von Grauwerten bzw. von möglichst vielen naturgetreuen Farben soll die Kennlinie (Transmission gegen Spannung) nämlich einerseits flach genug sein, um mit den verfügbaren Spannungen die Grauwerte zielsicher zu adressieren, andererseits soll die Sättigungsspannung für 90% der Maximaltransmission (effektiver Tiltwinkel = 45°) nicht zu hoch sein, vorzugsweise im Bereich unterhalb fünf Volt (5 V), insbesondere unter drei Volt (3V) liegen. Es ist wünschenswert, die Kennlinie für eine gegebene Flüssigkristallmischung so beeinflussen zu können, daß sie flach genug ist. um mit den verfügbaren Spannungen alle Grauwerte zielsicher zu adressieren, und keine zu hohe Sättigungsspannung für 90 % der Maximaltransmission aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Aktivmatrix- Displays, das die Beeinflussung der Kennlinie einer gegebenen Flüssiskristallmischuns in vorteilhafter Weise erlaubt.
Es wurde erfmdungsgemäß gefunden, daß die Kennlinie für eine Flüssigkristallschicht in einem monostabilen chiral-smektischen Aktivmatrix- Display beeinflußt werden kann, wenn sich die an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten der beiden Substrate in mindestens einer physikalischen und oder chemischen Eisenschaft voneinander unterscheiden.
Die Erfindung betrifft damit ein monostabiles chiral-smektisches Aktivmatrix- Display, das zwischen zwei außen mit Elektroden verbundenen Substraten eine Flüssigkristallschicht, vorzugsweise in Form einer Monodomäne, enthält, wobei sich die an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten oder die zwischen Flüssigkristallschicht und Elektroden befindlichen Schichtsysteme der beiden Substrate in mindestens einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft voneinander unterscheiden. Die erfindungsgemäßen Aktivmatrix-Displays sind im allgemeinen aus Polarisatoren, mit Elektroden wie Indium-Zinn-Oxid beschichteten Substraten aus Kunststoff oder Glas, die mit einer oder mehreren Orientierungsschichten und möglicherweise weiteren Schichten (wie Passivierungs-, Diffussionssperr-, Isolations-Antireflexschichten usw.) sowie Farbfilterschichten versehen sein können, und einer Flüssigkristallschicht, die zwischen den Substraten liegt, aufgebaut. Zudem können die Displays aktive Dünnschichtelemente aufweisen. Für den Aufbau der Aktivmatrix-Displays kann auf die eingangs zitierte Literatur verwiesen werden. Unter dem Ausdruck „die an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten der Substrate" werden bei Vorliegen von Orientierungsschichten diese Orientierungsschichten verstanden. Wenn keine derartigen Schichten vorliegen, handelt es sich um die oberste der Flüssigkristallschicht zugewandte Schicht der Substrate. Es handelt sich somit um die ,,innen liegenden'' Schichten der Substrate, die mit der Flüssigkristallschicht in Berührung stehen. Es ist dabei unbeachtlich, ob weitere Passivierungs-, Diffussionssperr-, Isolations-, Antireflexschichten oder ähnliche Schichten gegebenenfalls noch auf der Oberfläche vorliegen. Auch bei Vorliegen derartiger Schichten wird die Orientierungsschicht oder die innen liegende Schicht der Substrate als „an der Flüssigkristallschicht anliegende Schicht" angesehen.
Durch die unterschiedlichen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten weist ein Bildpunkt (Pixel = picture element) des erfindungsgemäßen monostabilen chiral-smektischen Displays, von Randbereichen abgesehen, einen unsymmetrischen Querschnitt in vertikaler Richtung auf. das heißt senkrecht in bezug auf die Flüssigkristallschicht. Die Unsymmetrie kann sich dabei auf die geometrischen Dimensionen oder Relationen der an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten oder Schichtsysteme beziehen, wie auch auf die dielektrischen Eigenschaften oder beispielsweise Oberflächeneigenschaften. wie Oberflächenspannungen oder Oberflächenanisotropien. Durch die mindestens eine unterschiedliche physikalische oder chemische Eigenschaft der Schichten, die zwischen Flüssigkristall und Elektroden liegen, wird eine Unsymmetrie erzeugt. Vorzugsweise unterscheiden sich die an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten der Substrate in der Orientierung. Dabei weist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nur eine an der Flüssigkristallschicht anliegende Schicht eine Orientierungsschicht auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen beide an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten Orientierungsschichten auf, die sich in der Orientierung unterscheiden oder es können die Oberflächenrauheit und oder der Oberflächentiltwinkel verschieden sein. Speziell kann z. B. die transparente Leiterbahn durch Ätzprozesse unterschiedlich aufgeraut werden und damit die Orientierungswirkung unsymmetrisch beeinflußt werden. Dabei können sich die Orientierungsschichten beispielsweise in der Stärke und/oder Richtung der Orientierung unterscheiden.
Beispielsweise können die obere und die untere Orientierungsschicht eine antiparallele Reiberichtung aufweisen.
Vorzugsweise erfolgt die vorteilhafte Beeinflussung der Kennlinie über die Auswahl geeigneter Orientierungsschichten.
Gegenstand der Erfindung ist vorzugsweise ein monostabiles Aktiv-Matrix - Display, bei welchem durch die gezielte Kombination von Orientierungsschichten eine optimale Kennlinie erhalten wird.
Es wurde gefunden, daß sich die Kennlinie zu niedrigeren Spannungen hin verschiebt, wenn die beiden Oben" und 'unten* an die Flüssigkristallschicht angrenzenden Schichten oder bis zur Elektrode reichenden Schichtsysteme sich voneinander unterscheiden. Dies gilt insbesondere für die Verwendung zweier verschiedener Orientierungsschichten, die oberhalb und unterhalb an die Flüssigkristallschicht angrenzen. Ausdrücklich sind diese Schichten auch dann verschieden, wenn sie aus demselben Material bestehen, aber unterschiedlich vorbehandelt wurden. z.B. eine Seite stark gerieben, die andere Seite schwach oder gar nicht gerieben wurde. Geeignet sind auch Zellen mit nur einer Orientierungsschicht. In den erfindungsgemäßen monostabilen chiral-smektischen Aktivmatrix- Displays können alle geeigneten chiral-smektischen, insbesondere ferroelektrischen Flüssigkristallmischungen eingesetzt werden. Die Flüssigkristallmischung nimmt eine monostabile Lage ein, bildet dabei jedoch keinerlei Streifentextur, ist temperaturstabil und ermöglicht eine sehr hohe Maximaltransmission sowie einen sehr hohen Kontrast.
Das erfmdungs gemäße Aktivmatrix - FLC-Display enthält als optisch wirksame Schicht vorzugsweise ein ferroelektrisch flüssigkristallines Medium mit einer Phasenfolge von
Isotrop - Nematisch oder Cholesterisch - smektisch C*
oder die Phasenfolge
Isotrop - Nematisch oder Cholesterisch - smektisch A - smektisch C*,
in diesem Fall jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die smektisch A Phase einen Existenzbereich von maximal 2°C, vorzugsweise maximal 1°C besitzt.
Dabei wird bei antiparalleler Reiberichtung der Orientierungsschichten eine "tilted bookshelf'-Geometrie erhalten, bei der die Kennlinie vorteilhaft zu niedrigen Spannungen verschoben ist.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne sie jedoch darauf einzuschränken.
Beispiele:
Beispiel 1 :
Eine LCD-Testzelle wird auf zwei handelsüblichen, mit Indium-Zinnoxid leitfähig transparent beschichteten Glasplatten hergestellt. Diese werden mit der Orientierungsschicht LQT-120 (Hersteller: Hitachi Chemicals KK), die mit N- Methylpyrrolidon auf 8.3% ihres ursprünglichen Feststoffgehaltes verdünnt wird, durch Spin-coating beschichtet (2500 U/min, 10 sec), durch Erhitzen gehärtet (230°C, 1 Stunde) und anschließend einem Reibeprozeß zwecks Orientierung unterzogen (Reibestoff: Rayon-Typ YA-20-R*, clearance 0.2 mm, 1 mal, 700 U/min Walzendrehzahl, 10 cm/s Substratgeschwindigkeit, 10 cm Rollendurchmesser). Dabei kann der Reibedruck über die 'clearance' (lichter Abstand zwischen Reibestoff und Substrat) variiert werden und wird als 'stark' bzw. 'schwach' bezeichnet.
Die geriebenen Gläser werden bei paralleler Ausrichtung der Reiberichtung zu Testzellen verklebt und mittels Abstandhalter auf einen Abstand von 1,3 μm eingestellt. Es werden drei Arten von Zellen hergestellt:
a. symmetrisch mit schwachem Reibedruck auf der oberen und der unteren
Glasplatte (Zelle 1) b. symmetrisch mit starkem Reibedruck auf der oberen und unteren Seite (Zelle 2) c. unsymmetrisch mit starkem Druck auf einer und schwachem Druck auf der anderen Seite (Zelle 3)
Die Zellen werden nun jeweils mit einer chiral-smektischen Testmischung der Phasenfolge
X <0 Sc* 78.2 N* 103.0-105.7 1
gefüllt und durch Abkühlen auf < 100°C zunächst in der nematischen Phase orientiert. Im Temperaturbereich von 80°C bis 70°C wird die Testmischung mit einer Kühlrate von l°C/Minute bei einer anliegenden Gleichspannung von 3V orientiert und dann auf die Untersuchungstemperatur von 25°C abgekühlt. Dabei wird eine Monodomäne erhalten, die in einer elektro-optischen Meßapparatur auf ihre elektro-optischen Eigenschaften hin untersucht wird. Man erhält folgende Transmissionswerte* als Funktion der anliegenden Spannung.
Figure imgf000012_0001
* Transmission bezogen auf zwei parallele Polarisatoren, d.h. 100% entspricht in diesem Experiment der theoretischen Maximaltransmission der Zelle
Das Beispiel belegt die vorteilhafte Verschiebung der Schwellspannung zu kleineren Werten bei Verwendung unsymmetrischer Zellen.
Beispiel 2:
Eine LCD-Testzelle wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt, jedoch wird nur eines der beiden Substrate beschichtet, das zweite Substrat jedoch ohne Orientierungsschicht gerieben (Zelle a). Zum Vergleich wird jeweils auch eine symmetrische Zelle, d.h. beide Seiten beschichtet mit LQT120, hergestellt (Zelle b).
Die geriebenen Gläser werden bei paralleler Ausrichtung der Reiberichtung zu Testzellen verklebt und mittels Abstandhalter auf einen Abstand von 1,3 μm eingestellt.
Die Zellen werden nun jeweils mit einer chiral-smektischen Testmischung der Spontanpolarisation 4 nC/cm2 und der Phasenfolge
X <0 Sc* 67.6 N* 91.1-93.9 1
gefüllt und durch Abkühlen auf < 90°C zunächst in der nematischen Phase orientiert. Im Temperaturbereich von 70°C bis 60°C wird die Testmischung mit einer Kühlrate von l°C/Minute bei einer anliegenden Gleichspannung von 3V orientiert und dann auf die Untersuchungstemperatur von 25°C abgekühlt. Dabei wird eine Monodomäne erhalten, die in einer elektro-optischen Meßapparatur auf ihre elektro-optischen Eigenschaften hin untersucht wird.
Man erhält folgende Transmissionswerte* als Funktion der anliegenden Spannung.
Figure imgf000014_0001
* Transmission bezogen auf zwei parallele Polarisatoren, d.h. 100% entspricht in diesem Experiment der theoretischen Maximaltransmission der Zelle
Das Beispiel belegt ebenfalls die vorteilhafte Verschiebung der Schwellspannung zu kleineren Werten bei Verwendung unsymmetrischer Zellen.
Beispiel 3:
Eine LCD-Testzelle wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt, jedoch wird nur eines der beiden Substrate beschichtet, das zweite Substrat jedoch ohne
Orientierungsschicht gerieben (Zelle a). Zum Vergleich wird jeweils auch eine symmetrische Zelle, d.h. beide Seiten beschichtet mit LQT120. hergestellt (Zelle b). Die geriebenen Gläser werden bei paralleler Ausrichtung der Reiberichtung zu Testzellen verklebt und mittels Abstandhalter auf einen Abstand von 1,3 μm eingestellt.
Die Zellen werden nun jeweils mit einer chiral-smektischen Testmischung der Spontanpolarisation 4 nC/cm2 und der Phasenfolge
X <0 Sc* 63J N* 89.6-92.1 I
gefüllt und durch Abkühlen auf < 90°C zunächst in der nematischen Phase orientiert. Im Temperaturbereich von 66°C bis 58°C wird die Testmischung mit einer Kühlrate von l°C/Minute bei einer anliegenden Gleichspannung von 3V orientiert und dann auf die Untersuchungstemperatur von 25°C abgekühlt. Dabei wird eine Monodomäne erhalten, die in einer elektro-optischen Meßapparatur auf ihre elektro-optischen Eigenschaften hin untersucht wird.
Man erhält folgende Transmissionswerte* als Funktion der anliegenden Spannung.
Figure imgf000016_0001
* Transmission bezogen auf zwei parallele Polarisatoren, d.h. 100% entspricht in diesem Experiment der theoretischen Maximaltransmission der Zelle
Das Beispiel belegt ebenfalls die vorteilhafte Verschiebung der Schwellspannung zu kleineren Werten bei Verwendung unsymmetrischer Zellen.

Claims

Patentansprüche
1. Monostabiles chiral-smektisches Aktivmatrix-Display, das zwischen zwei außen mit Elektroden verbundenen Substraten eine Flüssigkristallschicht enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sich die an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten oder die zwischen Flüssigkristallschicht und Elektroden befindlichen Schichtsysteme der beiden Substrate in mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft voneinander unterscheiden.
2. Aktivmatrix-Display nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die an der Flüssigkristallschicht anliegenden Schichten der Substrate in der Orientierungswirkung unterscheiden.
3. Aktivmatrix-Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur eines der Substrate als an der Flüssigkristallschicht anliegende Schicht eine Orientierungsschicht aufweist.
4. Aktivmatrix-Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Substrate als an der Flüssigkristallschicht anliegende Schichten
Orientierungsschichten aufweisen, die sich in der Orientierungswirkung unterscheiden.
5. Aktivmatrix-Display nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Orientierungsschichten in der Stärke und/oder Richtung der Orientierung unterscheiden.
6. Aktivmatrix-Display nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungsschichten eine anti-parallele Reiberichtung aufweisen.
7. Aktivmatrix-Display nach Anspruch 1. 2 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß sich die an der Flüssigkeitkristallschicht anliegenden Schichten in der Oberflächenrauheit und/oder im Oberflächentiltwinkel unterscheiden.
8. Aktivmatrix-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssikristallschicht in einer Monodomäne vorliegt.
9. Aktivmatrix-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht chiral-smektisch und die Phasenfolge
I-N-smC* oder
I-N-smA (mit einem Existenzbereich < 2°C)-smC* ist.
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